термодинамика. Закон БойляМариотта
 Скачать 493.54 Kb.
|
|
Вопросы по ТД Основные понятия термодинамики: термодинамическая система, термодинамические параметры, уравнение состояния, термодинамические процессы - равновесные, неравновесные; Термодинами́ческая систе́ма — физическое тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом[1]; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц, «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования». Параметры состояния, термодинамические параметры — физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, удельный объём, намагниченность, электрическая поляризация и др. Равновесные и неравновесные процессы. Под равновесными процессами в термодинамике понимают процессы, проходящие через ряд равновесных состояний. Они протекают таким образом, что изменение параметров, описывающих систему, за конечный промежуток времени бесконечно мало. Неравновесные процессы это такие процессы, при которых за конечный промежуток времени происходит конечное изменение параметров системы и, следовательно, равновесие системы нарушается. Законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, уравнение Клапейрона. Универсальная и удельная газовые постоянные; Закон Бойля-Мариотта устанавливает зависимость изменения удельного объема идеального газа от его давления при постоянной температуре: при постоянной температуре отношение удельных объемов газа обратно пропорционально отношению его давлений.  Закон Гей-Люссака устанавливает зависимость изменения удельного объема идеального газа от его температуры при постоянном давлении: при постоянном давлении отношение удельных объемов идеального газа прямо пропорционально отношению его абсолютных температур.   Универса́льная га́зовая постоя́нная — константа, численно равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К. Равна произведению постоянной Больцмана на число Авогадро. Обозначается латинской буквой R. Удельная газовая постоянная пара R = 461 Д>к/(кг-К) Теплоемкость идеального газа. Связь между изобарной и изохорной теплоемкостями (формула Майера); Теплоёмкость идеального газа — отношение количества теплоты, сообщённой газу {\displaystyle \delta Q},к изменению температуры {\displaystyle dT}.  Термические параметры состояния и связь между ними. Уравнение состояния идеального газа. Первый закон термодинамики; Параметр – это один из совокупности независимых физических величин, определяющих тепловое состояние системы (тела). Например, если системой является водяной пар, то для определения состояния этой системы используются параметры состояния: давление, объем, масса, температура и другие. Параметры состояния всегда относятся к термодинамическим системам, которые находятся в термодинамическом равновесии. Термодинамическое равновесное состояние – это состояние термодинамической системы, характеризующееся при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствия в системе потоков.  Первый закон термодинамики - есть закон сохранения энергии: при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только передается от одних тел другим или превращается из одной формы в другую.  Расчет внутренней энергии, энтальпии и энтропии; Формула для нахождения внутренней энергии идеального одноатомного газа через давление и объем:  Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и их представление на P-V и T-S диаграммах; изохорный, протекающий при постоянном объеме; изобарный, протекающий при постоянном давлении; изотермический, происходящий при постоянной температуре; адиабатный, при котором теплообмен с окружающей средой отсутствует;  Круговые процессы (циклы). Цикл Карно и термический КПД цикла; Круговым процессом, или циклом, называется такой процесс, в результате которого термодинамическое тело возвращается в исходное состояние. Цикл называется прямым, если он протекает по часовой стрелке и работа, совершаемая за цикл положительна. В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно́ — это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. Термический КПД термодинамического цикла показывает, какое количество получаемой теплоты машина превращает в работу в конкретных условиях протекания идеального цикла. Чем больше величина ηt, тем совершеннее цикл и тепловая машина. Теплота и работа, их представление в P-V и T-S координатах; Изохорный процесс и его представление на P-V и T-S диаграммах; При изохорном процессе выполняется условие v = const. Из уравнения состояния идеального газа (pv = RT) следует: p/T = R/v = const, т. е. давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре: p2/p1 = T2/T1.  10.Первый закон ТД. Энтальпия, определение, формулы; Первый закон термодинамики - есть закон сохранения энергии: при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только передается от одних тел другим или превращается из одной формы в другую.  Энтальпи́я (от др.-греч. ενθαλπω — «нагреваю», также теплова́я фу́нкция[1][2], теплова́я фу́нкция Гиббса[3], теплосодержа́ние[1][3] и изобарно-изоэнтропийный потенциал[4]) — функция состояния {\displaystyle H} термодинамической системы, определяемая как сумма внутренней энергии {\displaystyle U} и произведения давления {\displaystyle P} на объём {\displaystyle V}.  11.Второй закон ТД. Энтропия, определение, формулы; Второ́е нача́ло термодина́мики устанавливает существование энтропии как функции состояния термодинамической системы и вводит понятие абсолютной термодинамической температуры, то есть «второе начало представляет собой закон об энтропии» и её свойствах. Энтропия в рациональной термодинамике — теплоёмкость системы при постоянном объёме. Из определения энтропии и её свойств следует, что при условии постоянства энергии энтропия системы максимальна, когда все части системы имеют одинаковую температуру — вариационный принцип максимальности энтропии в состоянии равновесия. 12.Второй закон термодинамики. Сущность и основные формулировки второго закона термодинамики; Сущность второго закона термодинамики состоит в констатации того факта, что любой естественный самопроизвольный процесс в природе протекает в определенном, ему присущем направлении, и не может быть проведен в противоположном направлении без затраты энергии. 13.Изобарный процесс и его представление на P-V и T-S диаграммах; термодинамический изопроцесс, происходящий в системе при постоянных давлении и массе газа.    14.Адиабатный процесс и его представление на P-V и T-S диаграммах; термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.   15.Изотермический процесс и его представление на P-V и T-S диаграммах. термодинамический изопроцесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.   Вопросы по Теплопередаче. 16.Формы переноса теплоты в пространстве (виды теплопередачи).  Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия. Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит. Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло. 17.Теплопроводность. Гипотеза Фурье. Коэффициент теплопроводности. Передача тепла через плоскую стенку.  Фурье высказал гипотезу о том, что количество теплоты dQ, проходящее через элемент поверхности dF за время dτ, пропорционально градиенту температуры, т.е. Коэффициент теплопроводности - количество тепла, которое передается за единицу времени на единицу площади поверхности при температурном градиенте (изменении температуры), равном единице. Обозначается символом λ (лямбда), единица измерения Вт/(м·К). Теплопередача через плоскую стенку Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители. 18.Теплоотдача. Гипотеза Ньютона. Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку. Коэффициент теплопередачи через систему плоских стенок. Расчет температуры на поверхности стенки. Закон Нью́тона — Ри́хмана — эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор. Теплоотдача — это процесс теплообмена между теплоносителем и твёрдым телом. При передаче теплоты от стенки к окружающей среде в основном преобладает конвективный теплообмен, поэтому будут рассматриваться такие задачи. 19.Тепловой поток. Связь теплового потока с градиентом температуры. Вывод уравнения баланса тепла. Уравнение теплопроводности. Тепловой поток — количество тепловой энергии, излучаемой, передаваемой или поглощаемой единицей площади поверхности за единицу времени. теплота распространяется в сторону меньшей температуры, а вектор градиента температуры по определению направлен в сторону большей температуры. Таким образом, коэффициент теплопроводности численно равен плотности теплового потока при градиенте температуры 1 .  20.Начальные и граничные условия для уравнения теплопроводности. Граничные условия I, II, III рода, их физический смысл. Уравнение теплопроводности — это дифференциальное уравнение первого порядка по времени и второго порядка по пространственным координатам х, у, z. Для того чтобы его решить, нужны начальное и граничные условия. Начальное условие — это распределение температуры внутри тела в начальный момент времени; оно должно быть известно:  Граничные условия определяют закон взаимодействия между поверхностью тела и окружающей средой. Эти условия в зависимости от физической постановки задачи могут быть заданы различными способами. Граничное условие 1-го рода состоит в задании распределения температуры по поверхности тела в любой момент времени:  Граничное условие 2-го рода состоит в задании плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела в любой момент времени:  Граничное условие 3-го рода состоит в задании условия теплообмена между поверхностью твердого тела и окружающей средой (жидкостью или газом, например, атмосферным воздухом):  21.Перенос тепла через цилиндрическую стенку. Распределение температуры внутри цилиндрической стенки. Тепловой поток на единицу длины цилиндрической стенки.  Теплообменные аппараты в большинстве случаев имеют не плоские, а цилиндрические поверхности, например рекуператоры типа "труба в трубе", кожухотрубные водонагреватели и т.д. Поэтому возникает необходимость рассмотрения основных принципов расчета цилиндрических поверхностей.  22.Теплообменник типа "труба в трубе". Основная система уравнений для расчета температур теплоносителей по длине теплообменника. Прямоточное и противоточное течение теплоносителей. Качественное поведение температур теплоносителей по длине для случаев прямоточного и противоточного движения теплоносителей. Теплообменник труба в трубе – аппарат для нагрева и охлаждения продуктов производства. Используется в нефтегазовой, химической, пищевой промышленности. В частности теплообменный аппарат труба в трубе применяется в процессе производства вина и молочных продуктов. 23.Виды теплообменников. Современные методы интенсификации теплоотдачи. Кожухотрубчатые (кожухотрубные) теплообменники, Элементные (секционные) теплообменники, Двухтрубные теплообменники вида «труба в трубе»[2], Витые теплообменники, Погружные теплообменники, Оросительные теплообменники, Ребристые теплообменники, Спиральные теплообменники, Пластинчатые теплообменники, Пластинчато-ребристые теплообменники, Графитовые теплообменники, Миниканальные теплообменники[3]. Геликоидные теплообменники 24.Ламинарная и турбулентная формы движения жидкости. Физика перехода от ламинарного течения к турбулентности. Качественные отличия ламинарной и турбулентной форм течения. Критическое число Рейнольдса. Наблюдения показывают, что в жидкости возможны две формы движения: ламинарное движение и турбулентное. Проведем следующий опыт. Через стеклянную трубку будем подавать воду. В начале трубки устанавливаем тонкую трубку, через которую подаем краску. Когда скорость движения воды в стеклянной трубке небольшая, струйка краски, вытекающая из тонкой трубки, принимает форму нити. Это говорит о том, что отдельные частицы жидкости перемещаются прямолинейно. Жидкость в круглой трубе движется как бы концентрическими кольцевыми слоями, которые не перемешиваются между собой. Такое движение называется ламинарным С увеличением скорости движения в стеклянной трубке струйка краски будет размываться, терять свою устойчивость и, при больших скоростях, краска будет равномерно окрашивать всю массу жидкости, что указывает на интенсивное перемешивание всех слоев. Отдельные частицы жидкости и ее небольшие объемы пребывают в состоянии хаотического и беспорядочного движения. Наряду с общими поступательными движениями имеется поперечное перемещение частиц. Такое движение называется турбулентным Для систем трубопроводов с круглыми трубами с очень гладкими стенками критическое значения числа Рейнольдса обычно принимается Reкр≈ 2100÷2300. Критическое значения числа Рейнольдса зависит от: от конкретного вида течения (например от формы сечения канала, обтекания шара и т. 25.Теплообмен излучением. Виды излучения. Распределение энергии излучения по частотам. Закон. Тепловое излучение (радиационный теплообмен) – способ переноса теплоты в пространстве, осуществляемый в результате распространения электромагнитных волн, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в тепло. люминесценция – излучение избыточное над тепловым и имеющее длительность, значительно превышающую период световых колебаний. окисления – хемилюминесценции. Свечение при протекании тока в газе, жидкости или в твердых телах – электролюминесценция. Свечение под действием света – фотолюминесценция и т.д. Светящееся вещество называется люминофором. Из закона следует — чем тело больше поглощает при температуре T на длине волны λ, тем оно больше излучает при данных температуре и длине волны. Таким образом, поверхности с высокой степенью черноты (коэффициентом излучения) хорошо поглощают падающее излучение и сами являются хорошими излучателями. 26.Зависимость полного потока излучения от температуры. Закон СтефанаБольцмана. Понятие абсолютно-черного тела, абсолютно белого тела. Приближение серого тела. Лучеиспускательная способность тела есть количество энергии, излучаемое в единицу времени единицей поверхности нагретого тела, имеющего температуру Т, в окружающую среду с температурой абсолютного нуля. Для абсолютно черного тела связь между излучательной способностью и абсолютной температурой выражается законом Стефана-Больцмана:  , (2.2)Абсолю́тно чёрное те́ло — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Тело, которое диффузно отражает все падающее на него излучение, называют абсолютно белым телом. У абсолютно белого тела радиационные способности равны: R = 1, A = D = 0. Тело, которое пропускает все падающее на него излучение, называют абсолютно прозрачным или диатермичным. СЕРОЕ ТЕЛО. Тело, дающее серое излучение; поглощательная и излу-чательная способность его одинаковы для всех длин волн, а энергия излучения отличается от энергии излучения абсолютно черного тела на множитель, меньший единицы, постоянный для всех длин волн. |